Aux sources de Renault E-TECH

episode 4

de locodiscobox
à e-tech

C’est fort de son expertise du véhicule électrique, de son expérience en Formule 1 et en s’appuyant sur des équipes d’ingénierie, de développement et de contrôle enthousiastes et passionnées, que Renault a développé sa motorisation hybride innovante E-TECH. Proposée en version « full hybride » sur Clio et en version « full hybride rechargeable » sur Nouveau Captur et Nouvelle Mégane, elle a été inventée et mise au point de manière à la fois inhabituelle et très inspirante. Ce quatrième et dernier épisode revient sur les derniers choix techniques opérés, notamment ceux des moteurs électriques.
robot
Captur E-TECH Plug-in Hybrid
Répondant au cahier des charges demandé et ayant fait ses premières preuves avec le prototype EOLAB, l’innovante LocoDiscoBox doit désormais réussir son adaptation « produit » pour se retrouver sous le capot de modèles de série du Groupe Renault. A l’origine d’ailleurs, elle a été pensée dans le cadre du programme « Entry » basé sur la plateforme M0 et supervisé par Gérard Detourbet -celui qui a dit « oui » lorsque la maquette en LEGO lui a été présentée.

Les premières présentations de la motorisation hybride rechargeable Z.E. on demand devant les directeurs et exécutifs de Renault côté « produit » commencent à peine que les équipes d’ingénierie devinent qu’elles ne sont pas au bout de leurs peines. Très vite, il n’est plus question d’Entry et de M0, mais de M1, c’est-à-dire les modèles polyvalents et compacts, dont la Mégane. C’est d’ailleurs sur une Mégane que seront effectuées les références de calibration de la future motorisation E-TECH. Il fallait donc faire évoluer la LocoDiscoBox pour la rendre compatible avec ce modèle et les prestations attendues de sa part. Deux ressorts seront activés pour deux champs d’actions différents : l’ajout d’un second moteur électrique pour les basses vitesses et l’ajout d’un quatrième rapport de boîte de vitesses en thermique pour les hautes vitesses.

Tests de calibration sur Mégane
Il y avait ce problème de rupture de couple entre les rapports 1 et 2, à basse vitesse donc. La solution passait, selon nous, par l’ajout d’un petit moteur électrique qui remplace les synchroniseurs d’une boîte de vitesses traditionnelle pour faciliter le crabotage et pour lisser l’accélération grâce à son apport de couple immédiat. Autre point chaud : le contrôle de fonctionnement des crabots. Ce n’était pas évident car nous avions des crabots plats du type de ceux utilisés en Formule 1 et non pas des crabots en « toit ». Ces crabots plats fonctionnent mieux dans le temps, sont à priori plus fiables. Mais ils présentent aussi l’inconvénient de risquer de moins bien s’emboîter. Il fallait donc faire valider cette idée à des spécialistes du contrôle.
Jean-Marie Vespasien
Responsable mise au point E-TECH

#1 HSG : LE CHOIX MALIN

C’est là qu’intervient Ahmed Ketfi-Cherif, qui avait déjà supervisé la mise au point de la LocoDiscoBox première version. Non seulement il valide l’idée du petit moteur électrique supplémentaire pour améliorer le fonctionnement du système à crabots, mais il lui trouve d’autres avantages.
Le moteur de type HSG (High-voltage Starter Generator, ou démarreur haute tension) que nous avions choisi permettait, par exemple, au système de fonctionner en « hybride série » sur les basses vitesses pour plus de confort et de souplesse. Sans besoin de beaucoup d’énergie stockée, ce qui permettait de diminuer la capacité de la batterie et de supprimer la prise de recharge. La future motorisation E-TECH, à la base hybride rechargeable, venait de se dédoubler en version hybride « simple ». Les possibilités d’utilisation dans la gamme étaient multipliées !
Ahmed Ketfi-Cherif
Responsable contrôle E-TECH
robot

#2 NISSAN ENTRE DANS LA DANSE

En fait, l’idée d’utiliser un second moteur électrique de type HSG fournissait la solution à une mine de problèmes. Il renforçait par exemple la régulation de la charge de la batterie, la mettant à l’abri de la panne sèche et offrait une gestion d’énergie plus pertinente ainsi qu’un fonctionnement global du système qui faisait se rapprocher cette transmission d’une transmission automatique habituelle.
robot
Un bleu électrique pour E-TECH

Voilà qui n’était pas pour déplaire à Nissan, membre de l’Alliance avec Renault, et qui avait son mot à dire dans la mise au point et l’adaptation produit de cette future motorisation E-TECH, sachant qu’elle allait être susceptible d’être utilisée dans ses modèles et ses marchés. Les Japonais étaient particulièrement attentifs à l’agrément de conduite et s’ils appréciaient les bienfaits du second moteur électrique, il fallait aller encore plus loin. Ce sera l’idée d’ajouter un quatrième rapport à la boîte à crabots, pour améliorer le ressenti dans les hautes vitesses.

A la base, la transmission de la LocoDiscoBox comptait trois rapports, pour trois situations de conduite bien définies : ville, route et autoroute. L’ajout du moteur HSG a permis d’améliorer le ressenti et de diminuer la consommation sur le rapport « ville ». Il fallait faire de même tout en haut de la chaîne et l’idée qui nous est venue est d’ajouter un quatrième rapport. Ce dernier autorise la déconnexion totale du moteur électrique principal, lorsqu’il n’est pas utilisé -typiquement sur autoroute. Ce qui permet de se « libérer » de sa traînée et d’économiser environ 1 kW, soit 3 à 4% de la consommation. L’idée était de ne garder en connectés à la roue que les composants nécessaires à la traction et de ne pas faire avec un gros moteur électrique ce qu’on pouvait faire avec un petit moteur. Ainsi, c’est le petit HSG qui se chargeait de la production d’électricité pour les composants, et non le gros moteur électrique principal.

Antoine Vignon
Responsable boîte de vitesses E-TECH
Version finale de la transmission E-TECH

Le dernier gain s’est opéré sur les petits moteurs d’actionnement de la boîte de vitesses, permettant d’emboîter les crabots lors des passages de rapport. Avec des crabots plats et le système d’assistance par simple ressort qui remplaçait les synchroniseurs, les ingénieurs ont pu utiliser de petits moteurs de moins de 100 watts, contre le double ou le triple habituellement. Voilà qui participait aussi à la réduction de l’encombrement de cette transmission.

Cette fois, l’architecture de la future motorisation E-TECH était clairement définie. Mais il restait encore deux choix à faire pour ses composants : le moteur électrique principal et le moteur thermique.

#3 Technologie Renault,
Composants Alliance

Jusqu’à présent, la motorisation prototype LocoDiscoBox utilisait un moteur électrique discoïde -d’où son nom. Mais pour Antoine Vignon, ce n’était pas transposable à une industrialisation en grande série à cause de certains composants en matériaux composites. Il fallait également faire un choix entre un moteur à rotor bobiné (comme celui utilisé dans la ZOE) et un moteur à aimants permanents. Si le premier présentait l’avantage de pouvoir s’adapter à toutes les situations, il ne répondait pas aux critères de compacité qui restaient primordiaux dans la définition de la motorisation E-TECH. Il fallait donc dénicher un moteur synchrone à aimants permanents… ce qui sera fait chez Nissan. Pour le moteur thermique, c’est l’Alliance qui allait être mise à contribution.
robot
La polyvalence est primordiale

Afin de répartir les ressources de développement et de production dans l’Alliance, nous avons privilégié l’utilisation de composants existants chez Nissan plutôt que de les acheter. Cela a orienté le choix du moteur électrique principal mais aussi et surtout du moteur thermique. Le moteur H4BT utilisé au début de l’aventure était un peu ancien et il manquait d’efficacité côté consommation. Nous avions aussi comme objectif de respecter les futures normes de dépollution Euro 6d-FULL. Le seul candidat était le moteur HR15Gen3 (un 4 cylindres essence atmosphérique utilisé par Nissan notamment, pour le marché Chinois et Coréen) dont la cylindrée de 1,5 litre correspondait exactement au besoin défini. Compact, offrant des performances correctes et un rendement satisfaisant, c’était le meilleur candidat prédisposé dans la banque d’organes de l’Alliance. Il a été adopté en 2015 !

Pascal Caumon

Chef de projet mécanique E-TECH

Motorisation E-TECH Hybrid et batterie

Pour aller plus loin que le simple respect des normes antipollution et avoir la possibilité d’ajouter un filtre à particules sur le moteur thermique, il a été décidé en 2016 d’échanger le moteur HR15 contre un autre 4 cylindres atmosphérique issu de la banque d’organes de l’Alliance, le HR16. Cela a demandé un gros travail d’adaptation (cartographie moteur, modification de certaines pièces comme les pistons, les bielles et le vilebrequin sur les voitures d’essai) mais les résultats se sont vite montrés satisfaisants.

Fabrication du moteur HR16
Moteur E-TECH Hybrid

S’il n’est pas parfait, ce moteur HR16 représente un bon compromis et permet à l’innovante transmission à crabots de donner son plein potentiel. C’est un moteur atmosphérique mais l’apport des moteurs électriques compense l’absence de turbocompresseur pour les bas régimes, tandis qu’il est majoritairement utilisé sur sa vitesse de rendement optimum, notamment lorsqu’il fonctionne comme générateur pour recharger la batterie. Il répond aussi à la recherche d’optimisation des coûts pour une motorisation E-TECH destinée à des véhicules cœur de gamme. Avec lui, toutes les pièces du puzzle étaient assemblées, la motorisation E-TECH telle que nous la connaissons aujourd’hui était née !

CONCLUSION

Après près de 10 ans de développement, la motorisation hybride E-TECH est désormais disponible dans la gamme Renault. Elle est l’aboutissement d’une aventure un peu irréelle, née d’une maquette en LEGO et de l’ingéniosité et la persévérance d’une équipe de passionnés qui n’a jamais baissé les bras face aux difficultés. Une équipe qui a su fédérer autour d’elle et créer une émulation qui a petit à petit gagné toute l’entreprise. Il le fallait, pour réussir ce pari risqué ambitieux.
robot
Le travail d’une équipe de passionnés
Au début du projet beaucoup nous avaient dit : « ça ne marchera jamais ! ». C’est vrai que c’était un pari très risqué, notamment en voulant remplacer la synchronisation de la boîte de vitesses par un moteur électrique. Mais petit à petit, c’est toute l’entreprise qui a fini par s’approprier l’objet : des équipes Produit, projets véhicules, jusqu’aux dirigeants ! Beaucoup de collaborateurs à l’ingénierie et en dehors se sont enthousiasmés pour ce projet, ce qui a généré une très forte auto-motivation. C’est cela, aussi, qui fait la valeur d’une entreprise. La motorisation E-TECH, c’est une réussite un peu folle dont on peut tous être fiers.
Nicolas Fremau
Expert chaîne de traction et hybride